KR19980086543A

KR19980086543A - 자기스프링을 구비한 에너지 출력기구

Info

Publication number: KR19980086543A
Application number: KR1019980009720A
Authority: KR
Inventors: 에쓰노리 후지타; 요시미 에노키; 히로시 나카히라; 세이지 가와사키
Original assignee: 후지타 히토시; 가부시키가이샤 데루타 쓰링구
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 1998-12-05
Also published as: CN1082622C; KR100281474B1; EP0878639B1; EP0878639A3; CN1199830A; DE69837363D1; US6232689B1; EP0878639A2

Abstract

음전하의 감쇠특성을 갖는 자기스프링을 이용한 에너지 인출기구를 제공하여, 자장의 포텐셜 에너지를 유효하게 이용함에 따라 염가로 간소한 구성의 가압기구나 여자기 등을 실현하는 일.

적어도 2개의 영구자석(2, 4)을 반발자극이 대향한 상태에서 서로 이간케 하고, 그 대향면적을 변화시킴에 따라 음전하의 감쇠특성을 나타내거나, 혹은 정자기 에너지가 변화하는 자기스프링을 구성하였다. 또, 대향하는 영구자석(2, 4)의 한편으로 입력함에 따라 다른 편의 영구자석으로부터 출력을 인출하도록 하였다.

Description

자기스프링을 구비한 에너지 출력기구

본 발명은 여러 개의 영구자석을 구비한 자기스프링에 관한 것으로, 더욱 상세하기는 여러 개의 영구자석의 반발력을 이용한 부하의 감쇠특성을 갖는 자기스프링을 구비한 에너지 인출기구(fetch機構)에 관한 것이다.

종래, 재료를 상하의 대반(weighing table)사이에 삽입하는 가압성형 가공을 하는 프레스 등의 가압기구에는 수압 또는 유압을 이용한 것, 기계적 기구를 이용한 것, 혹은 양기구를 병용한 것 등 여러 가지가 있다.

또, 어떤 구조체의 진동특성을 조사함에 사용되었고, 인위적으로 진동을 발생시키는 여자기(excitation)에는, 기전형(起電形)의 것과 어울리지 않는 질량이나 캠식의 것이 있다.

그러나, 상기 가압기구나 여자기는 어느 것이나 구성이 복잡하고 무겁고, 또한 고가이기 때문에 경량이며 염가의 가압기구나 여자기가 바람직하였다.

본 발명은 종래기술이 갖는 이와 같은 문제점에 비추어서 이루어진 것이며, 음극의 감쇠특성을 지닌 자기스프링을 이용한 에너지 출력기구를 제공함을 목적으로 하고 있으며, 자장의 포텐셜 에너지를 유효하게 이용함에 따라 염가이고 간소한 구성의 가압기구나 여자기 등을 실현한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명중에서 제1항에 기재한 발명은 적어도 2개의 영구자석을 반발자극이 대향한 상태에서 서로 이간시켜, 상이한바 적어도 2개의 영구자석의 대향면적을 변화시킴에 따라 음전하의 감쇠특성을 도시하던가, 혹은 정자기 에너지가 변화하는 자기스프링을 구성하여, 적어도 2개의 영구자석의 한편으로 입력함에 따라 다른 편의 영구자석으로 붙어 인출을 출력하도록 한 것을 특징으로 하는 에너지 인출기구이다.

또, 제2항에 기재의 발명은 상기한 한편의 영구자석을 회전시켜, 상기한 바 다른 편의 영구자석을 슬라이드하도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 제3항에 기재한 발명은 상기한 한편의 영구자석에 하중을 가하여 위치에너지를 부여함과 동시에, 상기한 다른 편의 영구자석과의 평형점에서 상기한 한평의 영구자석을 작은 입력으로 진동시킴에 따라, 상기한 다른 편의 영구자석이 그 포텐셜 에너지가 극소로 되는 위치에 되돌아오려는 힘과 변환에너지와 관성모우먼트와에 기초하여 연속회전하도록 한 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 관한 자기스프링에 있어서, 2개의 영구자석의 입력측과 출력측의 평형위치를 도시한 모식도.

도 2는 도 1의 자기스프링에 있어서, 가하여진 하중과 영구자석의 평형위치로부터의 변위량과의 관계를 도시한 기본 특성의 그래프.

도 3은 실측된 하중과 변위량과의 관계를 도시한 그래프.

도 4는 영구자석의 단면상에 자하가 균일하게 분포하고 있으면 가정한 전하모델에 있어서의 입출력의 사고방식을 도시한 모식도이며, (a)는 흡인을 (b)는 반발을 (c)와 (b)와는 상이한 부위의 반발을 각기 도시한 도면.

도 5는 동자극을 대향시킨 영구자석에 있어서, 한편을 다른 편에 대하여 이동시켰을 (대향면적을 바꾼)경우의 모식도.

도 6은 도 5에 기초하여 계산하였을 경우의 x축 이동량에 대한 x축 및 z축 방향의 하중에 도시한 그래프.

도 7은 도 5의 영구자석의 이간거리를 일정하게 유지하여 한편을 다른 편에 대하여 완전히 겹쳐진 상태까지 이동하고, 또한 이상태에서 완전히 차이진 상태까지 이동시켰을 때의 변이량과 하중과의 관계를 도시한 그래프.

도 8은 동자극을 대향시킨 영구자석에 있어서, 한편을 다른 편에 대하여 회전시켰을 (대향면적을 바꾼)경우의 모식도.

도 9는 도 8에 기초하여 영구자석을 회전하였을 경우의 대향면적에 대한 최대 하중을 도시한 그래프.

도 10은 영구자석으로서 네오디뮴 계렬자석을 채용하였을 경우의 자석간 거리의 하중과의 관계를 도시한 그래프.

도 11은 영구자석의 대향면적을 변화시킴에 따라 기하학적 치수를 변화시키도록 한 회전기구의 사시도.

도 12는 도 11의 회전기구의 기계모델.

도 13은 도 11의 회전기구에 있어서의 입력토오크와 출력일과의 관계를 도시한 그래프.

도 14는 도 11의 회전기구에 있어서의 입력일과 출력일과의 관계를 도시한 그래프.

도 15는 도 11의 회전기구에 있어서의 입력하중과 출력하중과의 관계를 도시한 그래프.

도 16은 도 11의 구성을 더욱 구체화한 회전기구의 사시도.

도 17은 영구자석의 대향면적을 변화시킴에 따라 기하학적 치수를 변화시키도록 한 왕복기구의 사시도.

도 18은 영구자석을 회전시킴에 따라 회전에너지를 인출하도록 한 에너지 인출기구의 사시도.

도 19는 도 11의 회전기구에 있어서, 슬라이드하는 영구자석의 주위에 코일을 배치하였을 경우의 전기유도 특성을 도시한 그래프.

도 20은 도 18의 구성을 더욱 구체화한 에너지 인출기구의 사시도.

도 21은 도 20의 에너지 인출기구의 주요부분 단면도.

도 22는 도 20의 에너지 인출기구에 구동원을 부착하였을 경우의 정면도.

도 23은 도 20의 에너지 인출기구에 설치된 영구자석의 사시도.

도 24는 도 20의 에너지 인출기구에 있어서, 하방에 설치된 영구자석과 관성바퀴와의 위치관계를 도시한 평면도.

도 25는 도 20은 에너지 인출기구에 있어서, 대향하는 2개의 영구자석의 위치관계를 도시한 평면도.

도 26은 도 20의 에너지 인출기구의 변형예의 정면도.

도 27은 자기스프링의 특성을 설명하기 위한 기본 모델.

도 28은 본 발명의 자기스프링구조에 있어서의 스프링 정수 및 계수의 시간에 대한 변화를 도시한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2, 4, 48, 50 : 영구자석 6, 40 : 기대

8 : 직동 슬라이더 10 : L형 앵글

12, 52 : 웨이트(추) 14 : 휠

16 : 피니언(pinion) 18 : 구동모우터

20, 24, 39, 54 : 구동원 30 : 하부판

32 : 상부판 38 : 자기부상 테이블

42 : 관성바퀴 44 : 연결축

46 : 슬라이더

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

서로 이간하여 같은 자극을 대향시킨 적어도 2개의 영구자석을 지닌 자기스프링 구조체인 경우, 이간한 영구자석끼리는 비접촉이기 때문에, 구조체 자체의 마찰손실 등을 무시하면, 그 정적특성은 입력시(갈때)와 동일 라인상을 비선형(非線型)으로 출력되어(돌아올 때), 또한 비접촉 대우(對偶)특유의 자유도, 부상제어 시스템의 불안정도를 이용함에 따라, 작은 입력으로 정자장(자석의 배치)을 변화시킴으로써 부하의 감쇠를 발생하기 쉽다.

본 발명은 이 사실에 착안하여 이루어진 것이며, 2개의 영구자석사이의 기하학적 치수를 운동행정내 기구 혹은 외력에 의하여 입력측(갈때)과 출력측(돌아올때)에서 변화시켜, 그 운동계렬내에서 반발력으로 변화시킴에 따라, 2개의 영구자석의 평형위치로부터의 입력측의 반발력보다 출력측의 반발력을 크게 하고 있다.

이하, 그 기본원리에 대하여 설명한다.

도 1은 입력측과 출력측에 있어서의 2개의 영구자석(2, 4)의 평형위치를 도시한 모식도이며, 도 2는 어느 한편의 영구자석에 가하여진 하중과, 2개의 영구자석의 평형위치로부터의 변위량과의 관계를 도시한 자기스프링 구조체의 기본 특성을 도시한 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 영구자석(2)에 대한 영구자석(4)의 입력측의 평형위치와 스프링 정수를 각기 x₀, k₁이라 하고, 출력측의 평형위치와 스프링 정수를 각기 x₁, k₂이라 하면, x₀∼x₁사이에서 면적변환 실행되고, 각 평형위치에서는 다음의 관계가 성립한다.

-k₁/ x₀＋ mg ＝ 0

-k₂/ k₁＋ mg ＝ 0

k₂＞ k₁

따라서, 그 정적특성은 도 2에 도시한 바와 같이, 부하의 감쇠특성을 도시하였고, 위치 x₁와 위치 x₀에 있어서의 포텐셜의 차가 발진의 포텐셜 에너지이라 생각할 수 있다.

또, 도 1의 모델을 제작하여 하중과 변위량과의 관계를 하중에 가하는 시간을 바꾸어서 실측하였던 바, 도 3에 도시한 바와 같은 그래프를 얻을 수 있었다. 이것은 2개의 영구자석(2, 4)이 최근접 위치에 가까워지면, 커다란 반발력이 작용하는 것, 또 평형위치로부터의 변위량이 미소하게 변화하면 마찰손실이 자기스프링의 댐퍼(damper)효과에 의하여 발생하고, 그러한 사실에 의하여 감쇠항이 나타낸 것이라고 해석된다.

도 3에 있어서, (a)는 일정하중을 가하였을 경우의 그래프이며, (a), (b), (c)의 순으로 하중을 가한시간이 짧게 되어 있다. 즉, 하중이 가한편에 의하여 정적특성이 다르고, 하중을 가한 시간이 길수록 힘의 축적이 크다.

또, 희유토족류의 자석은 자화의 세기가 자장에 의존하지 않는다. 즉 내부자기 모우먼트가 자장에 의한 영향을 받기 어려우므로, 감자곡선상에서 자화의 세기는 거의 변화하지 않고, 대략 그 포화자화의 세기의 값을 확보하고 있다. 따라서, 희유토족류의 자석에서는 끝면상에 자하가 균일하게 분포하고 있다고 가정한 전하모델을 사용하여, 입출력을 생각할 수 있다.

도 4는 그 사고방식을 도시한 것이며, 자석을 최소 단위의 자석의 집합으로 정의하여, 각 단위 자석사이의 힘의 관계를 3개로 분류하여 계산한 것이다.

(a) 흡인(r, m 함께 동일하므로, 2형식을 한 가지로 정의한다)

f⁽¹⁾＝ (m²/ r²) dx₁dy₁dx₂dy₂

f_x ⁽¹⁾＝ f⁽¹⁾cosθ

f_z ⁽¹⁾＝ f⁽¹⁾sinθ

(b) 반발

f_x ⁽²⁾＝ f⁽²⁾cosθ

f_z ⁽²⁾＝ f⁽²⁾sinθ

(c) 반발

f_x ⁽³⁾＝ f⁽³⁾cosθ

f_z ⁽³⁾＝ f⁽³⁾sinθ

따라서,

-f_x＝ 2f_x ⁽¹⁾－ f_x ⁽²⁾－ f_x ⁽³⁾

-f_z＝ 2f_z ⁽¹⁾－ f_z ⁽²⁾－ f_z ⁽³⁾

여기서, 쿨통의 법칙은 다음과 같이 나타낼 수 있으므로,

F ＝ k(q₁q₂/r²) r : 거리

q ＝ MS q₁, q₂: 자하

(m)M(m) : 자화의 세기

S : 면적

상기 -f_x, -f_z을 자석의 치수의 범위에서 적분하여 힘을 구할 수 있다.

이것을 도 5에 도시한 바와 같이, 대향하는 자석을 각 자기틈마다 완전히 겹친상태(x축 이동량＝0mm)에서 완전히 어긋난 상태(x축 이동량＝50mm)까지 이동시켜서 계산한 것이 도 6의 그래프이다. 단, 「내부자기 모우먼트는 일정」이라고 정의하고 있으나, 자기틈이 작을 때는 자석의 주변에서 혼란이 발생하므로 보정한다.

상기한 계산결과는 실측치와도 대략 일치하며, 도 2의 점 a에서 b로 이동시키는 힘이 x방향 하중으로, 출력은 z방향 하중으로 나타내고 있어, 불안정계수 입력＜출력의 관계가 정적(靜的)으로 명확하게 되어 있다.

또, 도 7은 도 5에 도시한 자석의 이간거리를 3mm로 유지하고, 완전히 어긋난 상태에서 완전히 포개진 상태까지 이동시키면, 이 상태에서 완전히 어긋난 상태까지 이동하였을 때의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 그래프는 x방향 하중의 절대값은 같고, 출력방향이 반대로 되어서 나오는 특성이며, 완전히 포개진 상태로 가까워지는 경우는 저항, 즉 감쇠로 되어 완전히 포개진 상태에서 완전히 어긋난 상태로 이행하는 경우는 가속되는 것을 도시하고 있다. 이 특성을 비접촉 댐퍼에 활용함으로써, 종래의 댐퍼에서는 달성할 수 없었던 사람이 인지할 수 있는 저·중·고주파영역(0∼50Hz)의 진동에너지의 저감, 즉 진동전단률의 개선이 가능하게 되었다.

또, 도 8에 도시한 바와 같이, 대향하는 자석의 회전각도를 변화시키면, 도 9에 도시한 바와 같은 그래프를 얻을 수 있었다. 당연한 일이면서 대향면적이 감소하면 최대 하중이 감소하여, 소정의 입력을 가함에 의한 면적변환을 개재하여 출력을 변화시키는 일이 가능한 것임을 나타내고 있다.

도 10은 영구자석으로서 네오디뮴 계렬자석을 채용하였을 경우의 자석간 거리와 하중과의 관계를 나타낸 그래프이며, 반발력은 질량증가와 함께 증가한다.

여기서, 반발력 F는

F ∝ Br²× (기하학적 치수) Br : 자화의 세기

로 표시되었으며, 기하학적 치수라함은 대향하는 자석의 이간거리, 대향면적, 자속밀도, 자장의 세기 등에 의하여 결정되는 치수를 의미한다. 자석재료가 동일한 경우, 자화의 세기(Br)는 일정하므로, 기하학적 치수를 변화시킴에 따라 자석의 반발력을 바꿀수 있다.

도 11은 영구자석(2, 4)의 한편을 다른 편에 대하여 회전시켜서 대향면적을 변화시킴에 따라 기하학적 치수를 변화시키도록한 회전기구를 도시하고 있으며, 도 12는 그 기계모델이다.

도 11에 도시한 바와 같이, 영구자석(2)은 기대(6)에 회전운동이 자유롭도록 부착되어 있으며, 직동슬라이더(8)는 기대(6)에 고정됨과 동시에, 상방에 수직으로 세워 설치되어 있다. 직동슬라이더(8)에는 L형 앵글(10)이 상하동이 자유롭도록 부착되어 있으며, L형 앵글(10)의 상면에는 웨이트(12)가 고정되어 있다. 또, L형 앵글(10)의 하면에는 영구자석(4)이 영구자석(2)에 대하여 동일(반발)자극을 대향시킨 상태에서 고정되어 있다.

상기 구성의 회전기구에 있어서, 영구자석(2, 4)으로서 49mmL × 25mmW × 11mmH의 것의(상품명 : NEOMAX-39SH)을 사용함과 동시에, 6.5kg의 웨이트 12(L형 앵글 및 영구자석(4)을 포함하는 합계중량은 약 7.33kg)을 사용하여, 영구자석(2)에 토오크를 가하였던 바, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

X	F	Z
0°	0	0
15°	0.45kgf	1.18mm
30°	0.56kgf	2.80mm
45°	0.51kgf	4.52mm
60°	0.40kgf	5.70mm
75°	0.20kgf	6.37mm
90°	0	6.65mm

여기서, X는 도 11의 상태, 즉 영구자석(2, 4)의 대향면적이 최소인 상태로부터의 회전각, F는 영구자석(2)의 중심에서 길이방향으로 r만큼 이간한 위치에 가하여진 하중, Z는 영구자석(2, 4)의 평형위치(G=7.5mm)로부터의 변위를 뜻한다.

또, 도 13 및 도 14는 상기 회전기구의 입출력 특성을 나타내고 있다. 양 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, X=30°까지 입력하여 할 토오크는 급격하게 증대하고, X=30°를 지나면 토오크는 서서히 감소하여, X=0°에 있어서 F=0으로 됨과 동시에, 자기스프링이 지닌 부하의 감쇠특성을 이용함에 따라, 혹은 정자기 에너지를 변화시킴에 따라 작은 입력일로 큰 출력일을 끌어내는 일이 가능하게 된다. 더욱이, 입력일과 출력일은 다음과 같은 식으로부터 이끌어 낼 수 있다.

N(토오크)＝rF

P ＝ mv P : 영구자석(4)의 운동량 F＝dP/dt

L ＝ mθ L : 영구자석(2)의 각 운동량 N=dL/dt

W(출력일) ＝ ∫Fdx ＝ ∫(dP/dt) dx ＝ d/dt∫Pdx

W'(입력일) ＝ ∫Ndθ ＝ ∫(dL/dt)dθ ＝ d/dt∫Ldθ

또, 도 15는 사이즈 50mmL × 25mmW × 10mmH의 2개의 영구자석을 그 동일 자극을 대향시킨 상태에서, 한편을 다른 편에 대하여 0°(50% 겹침)∼90°(100% 겹침)까지 회전시켰을 경우의 입력하중과 출력하중의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 15의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이 자장의 포텐셜 에너지를 변환함에 따라 작은 입력으로 큰 출력을 얻음을 알 수 있다.

따라서, 도 11의 회전기구는 수직방향의 여자기에 채용할 수 있을 뿐 아니라, 웨이트(12)를 수평으로 슬라이딩함에 따라 수평방향의 여자기에 채용할 수 있다. 또, 웨이트(12)를 램(ram)으로서, 사용하면 도 11의 회전기구는 상향 프레스에 채용할 수 있다.

도 16은, 도 11에 도시된 구성을 더욱 구체화한 회전기구이며, 기대(6)에 회전운동이 자유롭도록 부착된 영구자석(2)의 회전축(2a)에는 휠(14)이 부착되는 한편, 휠(14)과 맞무는 피니언(16)은 구동모우터(18)의 회전축(18a)에 부착되어 있다.

이 회전기구에 있어서, 구동모우터(18)의 회전력에 의하여 피니언(16)이 회전하면, 피니언(16)의 회전속도 보다도 작은 회전속도로 휠(14)과 영구자석(2)이 일체적으로 회전한다. 그 결과, 2개의 영구자석(2, 4)사이에서 면적변환이 이루어져서, 영구자석(4)은 직동슬라이(8)에 잇따라서 상하방향으로 슬라이딩을 한다. 여기서, 피니언(16)을 회전시키는 구동모우터(18)는 미소토오크의 것으로 좋으며, 상술한 바와 같이, 작은 입력일로 큰 출력일을 끌어낼 수 있다.

도 17은 영구자석(2)을 영구자석(4)에 대하여 슬라이딩하게 함에 대하여 면적변환을 하도록 한 왕복기구를 도시하고 있다. 더욱 상세히 설명하면, 영구자석(2)은 예컨대 VCM(보이스 코일 모우터) 등의 구동원(20)의 구동축(20a)에 연결되어 있고, 구동원(20)으로부터의 구동력을 받아서 기대(6)에 굳게 부착된 직동 슬라이더(22)위를 도면속의 화살표방향으로 슬라이딩한다. 영구자석(2)이 슬라이딩하면, 반발자극이 대향하는 영구자석(4)과의 사이에서 면적변환이 이루어져서, 영구자석(4)이 직동슬라이더(8)에 잇따라서 상하방향으로 슬라이딩함에 따라 도 16의 회전기구와 마찬가지로 작은 입력일로 큰 출력일을 끌어내는 것이 가능하게 된다.

또, 도 11의 회전기구에 있어서, 영구자석(4)을 입력측, 영구자석(2)을 출력측에 설정하면 상하진폭을 회전에너지로서 인출할 수 있다. 즉, 영구자석(4)을 예컨대 캠기구 등을 개재하여 구동원에 접속하고, 캠기구에 소정주파수의 입력을 가하면 영구자석(4)은 상하진동을 반복한다. 그 결과, 영구자석(2)이 회전하여, 예컨대 코일을 영구자석(2)과 일체적으로 회전시킴에 따라 전자유도를 일으키는 것이 가능하게 된다. 즉, 영구자석(4)에 하중을 가하여 위치에너지를 부여함과 동시에, 영구자석(2)과의 평형점에서 영구자석(4)을 작은 입력으로 진동시키면, 영구자석(2)이 그 포텐셜 에너지가 극소로 되는 위치에 되돌아오려는 힘과 변환(운동)에너지와 관성모우먼트에 따라서 연속회전한다. 더욱이 소정주파수는 자력의 세기에 의존하여, 입력에너지의 대소는 부가하중(웨이트 12)의 대소에 역비례하고 있어, 영구자석(4)에 진동입력을 가함에 따라 비교적 작은 입력으로 영구자석(2)을 고속회전시킬 수 있어, 예컨대 발전기 등에 응용할 수 있다.

도 18은 영구자석(2)을 기대(6)에 회전운동이 자유롭도록 부착하는 한편, 영구자석(4)이 고정된 L형 앵글(10)을 예컨대 VCM 등의 구동원(24)의 구동축(24a)에 연결한 회전에너지 인출기구를 나타내고 있다. 이 회전에너지 인출기구에 있어서, 구동원(24)의 구동력에 의하여 L형 앵글(10)과 영구자석(4)이 직동 슬라이더(8)에 잇따라서 일체적으로 일정한 주기에서 상하방향으로 슬라이딩을 하면, 영구자석(4)에 대하여 반발자극이 대향하는 영구자석(2)이 고속회전하게 되어, 회전에너지를 인출할 수 있다.

여기서, 상하진동을 반복하는 영구자석(4)으로서 도 15에서 사용한 것과 같은 것을 사용하여 그 주위에 코일을 설치하고 발생전류를 조사하였던 바, 도 19에 도시한 바와 같은 그래프를 얻을 수 있었다. 사용한 코일은 단면적 1㎟의 것을 50감기로 한 것으로 영구자석(4) 이동속도는 100mm/분, 500mm/분, 1000mm/분으로 설정하였다.

이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 영구자석(4)의 이동속도에 대략 비례하여 전류값이 증대하고 있어, 입력의 크기를 적당히 설정함에 따라 희망하는 출력(전류값)을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도 20∼도 22는 도 18의 회전에너지 인출기구를 더욱 구체화한 것으로, 대략 직사각형의 하부평판(30)과, 하부평판(30)과 소정거리 이간하여서도 평행으로 뻗어 있는 대략 직사각형의 상부평판(32)과, 하부평판(30)과 상부평판(32)을 고정하는 2개의 직사각형 프레임(34, 34) 등을 구비하고 있다. 하부평판(30)과 상부평판(32)의 대응하는 각부에는 4개의 수직필러(pillar)(36, …, 36)가 뻗어 있어, 이 수직필러(36, …, 36)에 자기부상 테이블(38)이 상하방향으로 슬라이딩이 자유롭도록 부착되어 있다. 자기부상 테이블(38)은 상부평판(32)에 고정된 에컨대 VCM 등의 구동원(39)의 구동축(39a)에 연결되어 있으며, 구동원(39)의 구동력에 의하여 자기부상 테이블(38)은 상하방향으로 왕복이동하도록 구성되어 있다.

한편, 하부평판(30)에는 기대(40)가 고정되어 있고, 이 기대(40)에 한 쌍의 관성바퀴(42, 42)가 회전운동이 자유롭도록 부착되어 있다. 관성바퀴(42, 42)의 한쪽에는 연결축(44)의 일단이 피벗부착됨과 동시에, 연결축(44)의 타단은 기대(40)에 슬아이딩이 자유롭도록 부착된 슬라이더(46)에 피벗부착되어 있다. 또, 관성바퀴(42, 42)와 일체적으로 회전하는 디스크형의 영구자석(48)이 관성바퀴(42, 42)의 상방에 설치되어 있으며, 영구자석(48)과 반발자극이 대향하는 디스크형상의 영구자석(50)은 자기부상 테이블(38)의 하면에 굳게 부착되어 있다.

도 23에 도시한 바와 같이, 영구자석(48, 50)의 각각에는 원형중공부(48a, 50a)가 형성되어 있고, 원형중공부(48a, 50a)의 중심은 디스크형상 영구자석(48, 50)의 중심에 대하여 편심하고 있다.

도 24 및 도 25는 2개의 영구자석(48, 50)의 자속이 각기 최대로 되는 위치와, 관성바퀴(42, 42)의 관성력이 최대로 되는 위치를 도시한 도면이며, 자기부상 테이블(38)에 부착된 영구자석(50)이 하사점(최하점)에 있고, 하방의 영구자석(48)과 가장 접근한 상태를 나타내고 있다. 이 상태로부터 하방의 영구자석(48)이 도면중 화살표 방향으로 180°회전하면 상방의 영구자석(50)은 상사점에 도달하고, 또한 약 90°회전하면 사안점(change point)에 도달하지만, 관성바퀴(42, 42)의 회전관성에 의하여 하방의 영구자석(48)을 동일 방향으로 회전하도록 하고 있다.

상기 구성에 있어서, 2개의 영구자석(48, 50)의 평형점에서 구동원(39)으로부터의 구동력이 자기부상 테이블(38)에 전달되면, 자기부상 테이블(38)과 영구자석(50)은 소정의 주기에서 일체적으로 상하방향으로 왕복이동(진동)한다. 하방에 설치된 회전운동이 자유로운 영구자석(48)은 영구자석(50)에 대하여 반발자극이 대향하고 있으므로, 영구자석(48)은 그 포텐셜 에너지가 극소로 되는 위치에 되돌아오려는 힘과 그 변환에너지와 관성바퀴(42, 42)의 관성력에 따라서 연속회전한다. 즉, 영구자석(50)에 비교적 작은 진동입력을 가함에 따라 영구자석(48)을 고속회전시킬 수 있으며 회전에너지를 인출할 수 있다.

도 26은 도 20에 도시한 구성에 있어서, 자기부상 테이블(38)상에 웨이트(52)를 재치하는 한편, 슬라이더(46)에 VCM 등의 구동원(54)을 연결한 에너지 인출기구를 도시하고 있다.

이 구성에 있어서, 슬라이더(46)에 구동원(54)으로부터의 구동력이 입력되면, 연결축(44)을 개재하여 관성바퀴(42, 42)와 영구자석(48)이 일정한 주기에서 일체적으로 회전한다. 그 결과, 대향하는 2개의 영구자석(48, 50)의 면적변환을 개재하여 구동원(54)의 입력에너지가 웨이트(52)의 위치에너지로 변환되어서 확대된다. 위치에너지는 또한 2개의 영구자석(48, 50)에 의하여 토오크(회전에너지)로 변환되어, 관성바퀴(42, 42)의 관성력으로써 축적되므로, 이 축적된 에너지를 회전에너지로서 인출할 수 있다.

다음에 상기한 자기스프링의 동적특성을 도 27에 도시된 간략화한 기본모델을 상태방정식으로 설명한다.

도 27의 입력 F가, 영구자석의 면적변환 등의 기하학적 치수변화에 의하여 초래된 힘이다. 도 12에 있어서, 스프링 정수를 k, 감쇠계수를 r, 질량 m에 입력되는 조화진동을 F(t)이라하면, 그 상태방정식은,

(수 1)

으로 나타낼 수 있다.

여기서, 평형위치를 x₀, 평형위치로부터의 변위를 y이라 하면,

(수 2)

여기서 k/x₀ ²＝ k'이라 놓을 때,

(수 3)

조화진동을 F(t) ＝ Fe^iωt이라 놓고, y ＝ xe^iωt이라 놓을 때,

(수 4)

여기서 Φ는 위상지연을 뜻한다.

(수 5)

따라서, 공진주파수 ω₀는,

(수 6)

여기서, 식 (2)는 또한, 다음과 같이 나타낼 수도 있다.

(수 7)

y를 x이라 놓고, 3차항까지 고려하면,

(수 8)

식 (3)에는 2차항에 -bx²이라하는 감쇠항을 나타내고 있으나, 식 (3)을 더욱 간단한 이미지로 바꿔놓으면,

(수 9)

여기서, x＝x₀cosωt이라 놓으면,

(수 10)

즉, 미소진동 영역에서는 주기적인 외력에 대하여, 끊임없이 일정한 반발력((b/2)x₀ ²)이 가하여져 있어, 그 힘으로 주기적 외력을 감쇠시키게 된다.

그런데, 상기 식 (1)에 있어서, 대향하는 영구자석 사이의 기하학적 치수를 운동행정내 기구 혹은 외력에 의하여 변화시키면, 스프링 정수(k)는, 도 28에 도시된 바와 같이 시간과 함께 변화하는 장방형파 k(t)로서, 주기 T＝2π/ω에 있어서, +k'와 -k'의 값을 1/2주기마다 번갈아 채택한다. 따라서, 식 (1)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(수 11)

(수 12)

(수 13)

여기서, 0＜t＜π/ω일 때의 평형위치를 x₀, 평형위치로부터의 변위를 y₁이라 하면,

(수 14)

여기서 (n－k')/x₀ ²＝ k₁'이라 놓으면,

(수 15)

조화진동을 F(t)＝Fe^iωt이라 놓고, y₁＝xe^iωt이라 놓으면,

(수 16)

여기서, Φ는 위상지연을 뜻한다.

(수 17)

따라서, 공진주파수 ω₀는,

(수 18)

마찬가지로, π/ω≤t＜2π/ω일 때,

(수 19)

따라서, y₁＜y₂에서 발산하게 된다.

일반적으로 자기여자 진동시스템은 음전하의 점성감쇠를 갖는 스프링 질량시스템과 바꾸어 놓을 수 있으며, 진동중에 외부로부터 진동에너지가 도입되지만, 실제로 발생하는 진동은 질점에 공기저항이나 각종의 저항이 발생하여 에너지를 소실한다.

그러나, 본 발명의 부하의 감쇠특성을 가지는 자기스프링에 외력으로서 진동에너지가 도입되면, 상기한 바와 같이 y₁＜y₂에서 발산하고, 발산이 계속하면 진폭이 점차로 증대하여 시스템이 파괴되던가, 혹은 변위의 증대와 함께 커지는 감쇠항을 상기 상태방정식에 추가하게 되어, 양전하의 감쇠가 작용하여 음전하의 감쇠와 균형진 상태에서 정상적인 진동을 하게 된다. 즉, 스프링 정수 k(t)와 마찬가지로, 감쇠계수도 가변이고, 식 (1)은 또한 다음과 같이 고쳐 쓸 수도 있다.

(수 20)

본 발명의 자기스프링을 갖는 진동시스템은 지속진동, 발산진동을 유발하는 에너지변화·변환시스템 내부에 존재하고 있어, 상기 상태방정식에 양전하의 감쇠항을 기구적으로 가함에 따라, 또한 다음의 상태방정식을 얻을 수 있다.

(수 21)

이 상태방정식은 r₂≠0일 때, x가 증대하면 좌변 3항이 커지며, 또한 스프링항의 감쇠항에 의하여 양전화의 감쇠가 작용한다. 따라서, 영구자석에 의한 내부 여진 특성으로서, 변위가 작을 때는 음전하의 감쇠이고, 변위의 증대와 함께 양전하의 감쇠가 작용하여 양전하와 음전하의 감쇠가 균형지는 진폭으로 진동이 정상적으로 된다.

또, 진동시스템의 질량, 감쇠계수, 스프링 정수중에서 하나이상에 대하여 그 크기가 시간과 함께 변화하는 경우, 이에 따라서 발생하는 진동을 계수여진 진동이라 호칭되고 있으나, 상기 식 (4), (5), (6)은 여진원 자체가 진동하는 계수여진 진동으로 되어 있어, 시스템내의 비진동적 에너지가 시스템 내부에서 진동적인 여진으로 변환되어서 진동을 발생시킨다.

통상은 공급에너지는 동력에너지의 일부가 변환한 것이기 때문에, 동력에너지에 상한이 있으면 공급에너지도 한정이 있어, 이것이 소비에너지에 같아진 시점에서 진폭이 억제된다. 영구자석에 의한 포텐셜 에너지는 그 시스템의 동력에너지와는 독립하고 있어, 소비에너지와의 격차를 넓힐 수 있으나, 영구자석의 질량당의 최대 에너지적이 증대하면, 더욱 이 격차를 대폭으로 넓히는 것도 가능하고, 1사이클중에서 음전하의 감쇠에 의한 공급에너지를 감쇠에 의한 소비에너지 보다도 크게 함에 따라 진동에너지는 증대한다.

전술한 바와 같이, 식 (1)에 있어서, 감쇠계수(r) 및 스프링 정수(계수)(k)는 자유로히 제어하는 것이 가능하고, 예컨대 도 1의 모식도에 있어서 영구자석(4)이 최하단에 있을 때, 영구자석(2)과의 대향면적을 최대로 함으로써 진폭을 감쇠할 수 있고, 자력 브레이크, 동적흡진기 등에 응용할 수 있다. 또 최하단에서 최상단으로 향하여 영구자석(4)이 떨어져나가고나서 대향면적을 최대로 함으로써 반발력을 증대할 수 있으므로, 발전기나 증폭기 등에 응용할 수도 있다.

본 발명은 이상 설명한 바와 같이 구성되어 있으므로, 다음에 기재된 바와 같은 효과를 성취하였다.

본 발명중에서, 제1항에 기재한 발명에 의하여 대향하는 적어도 2개의 영구자석의 대향면적을 변화시킴에 따라 음전하의 감쇠특성을 나타내거나, 혹은 정자기 에너지가 변화하는 자기스프링을 구성하고, 그 한편에 입력함에 따라 다른 편의 영구자석으로부터 출력을 인출하도록 하였으므로 간소한 구성의 에너지 인출기구를 실현할 수 있다.

또, 제2항에 기재의 발명에 의하면, 한편의 영구자석을 회전시키고, 다른 편의 영구자석을 슬라이드시킴에 따라, 프레스 여자기 등을 염가로 제작할 수 있다.

또한, 제3항에 기재한 발명에 의하면 한편의 영구자석에 위치에너지를 부여함과 동시에, 다른 편의 영구자석과의 평형점에서 상기한바 한편의 영구자석을 작은 입력으로 진동시킴에 따라, 다른 편의 영구자석을 연속회전하도록 하였으므로, 이 연속회전에 의하여 전자유도를 끌어낼 수 있으며 발전기 등에 응용할 수 있다.

Claims

적어도 2개의 영구자석을 반발자극이 대향한 상태에서 서로 이간케하고, 상기한바 적어도 2개의 영구자석의 대향면적을 변화시킴에 따라 음전하의 감쇠특성을 나타내거나, 혹은 정자기에너지가 변화하는 자기스프링을 구성하였고, 상기한 적어도 2개의 영구자석의 한편에 입력함에 따라 다른 편의 자석으로부터 출력을 인출하도록 한 것을 특징으로 하는 에너지 인출기구.
제1항에 있어서, 상기한바 한편의 영구자석을 회전시켜, 상기한바 다른 편의 영구자석을 슬라이드하도록 한 것을 특징으로 하는 에너지 인출기구.
제1항에 있어서, 상기한바 한편의 영구자석에 하중을 가하여 위치에너지를 부여함과 동시에 다른 편의 영구자석과의 평형점에서 한편의 영구자석을 작은 입력으로 진동시킴에 따라, 다른 편의 영구자석이 그 포텐셜 에너지가 극소로 되는 위치에 되돌아오려하는 힘과 변환에너지와 관성모우먼트에 따라서 연속회전하도록 한 것을 특징으로 하는 에너지 인출기구.